Конструкция столика, привода и энкодера.

Компоненты, составляющие вашу высокоточную систему позиционирования — подшипники, система измерения положения, система двигателя и привода и контроллер — должны работать вместе как можно лучше. Часть 1 посвящена основанию системы и подшипникам. Часть 2 посвящена измерению положения. Здесь мы обсуждаем конструкцию сцены, привода и кодера; усилитель привода; и контроллеры.

Три наиболее часто используемых метода сборки линейных каскадов при использовании линейных энкодеров:
• Привод и энкодер расположены в центре массы каретки или как можно ближе к нему.
• Привод расположен в центре масс; энкодер крепится с одной стороны.
• Привод расположен с одной стороны; энкодер, с другой стороны.

Идеальная система имеет привод в центре каретки с энкодером. Однако обычно это непрактично. Обычный компромисс заключается в расположении привода немного в стороне; энкодер, немного смещенный к другому. Это дает хорошее приближение к центральному приводу с обратной связью по движению рядом с системой привода. Центральные приводы являются предпочтительными, поскольку движущая сила не создает нежелательных векторов силы в ползунах, вызывающих скручивание или взведение. Поскольку система подшипников плотно удерживает ползун, взведение приведет к увеличению трения, износа и неточности положения нагрузки.

В альтернативном методе используется портальная система с двумя приводами, по одному с каждой стороны направляющей. Результирующая движущая сила имитирует центральный привод. С помощью этого метода вы можете расположить обратную связь по положению в центре. Если это невозможно, вы можете разместить энкодеры с каждой стороны и управлять столом с помощью специального программного обеспечения портального привода.

Усилитель привода
Усилители сервопривода получают управляющие сигналы, обычно ±10 В постоянного тока, от контроллера и обеспечивают выходное рабочее напряжение и ток на двигатель. В общем, существует два типа усилителей мощности: линейный усилитель и усилитель с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ).

Линейные усилители малоэффективны и поэтому применяются преимущественно в приводах малой мощности. Основными ограничениями выходной мощности линейного усилителя являются тепловые характеристики выходного каскада и характеристики пробоя выходных транзисторов. Рассеиваемая мощность выходного каскада представляет собой произведение тока и напряжения на выходных транзисторах. Усилители с ШИМ, напротив, эффективны и обычно используются для мощностей выше 100 Вт. Эти усилители переключают выходное напряжение на частотах до 50 МГц. Среднее значение выходного напряжения пропорционально командному напряжению. Преимущество этого типа заключается в том, что напряжение включается и выключается, что значительно увеличивает рассеиваемую мощность.

После того, как вы выбрали тип усилителя, следующим шагом будет проверка того, что усилитель может обеспечить требуемый непрерывный ток и выходное напряжение на требуемых уровнях для максимальной скорости вращения двигателя (или линейной скорости для линейных двигателей) приложения.

Для бесщеточных линейных двигателей можно провести еще одно различие между усилителями. Обычно используются два типа коммутации двигателя: трапециевидная и синусоидальная. Трапецеидальная коммутация — это цифровой тип коммутации, при котором ток для каждой из трех фаз включается или выключается. Обычно это делают датчики Холла, имплантированные в двигатель. Внешние магниты активируют датчики. Однако взаимосвязь между датчиками Холла, обмотками катушек и магнитами имеет решающее значение и всегда предполагает небольшой допуск по положению. Таким образом, время срабатывания датчиков всегда немного не совпадает по фазе с истинными положениями катушки и магнита. Это приводит к небольшому изменению тока, подаваемого на катушки, что приводит к неизбежной вибрации.

Трапециевидная коммутация менее подходит для очень точного сканирования и приложений с постоянной скоростью. Однако он дешевле, чем синусоидальная коммутация, поэтому он широко используется в высокоскоростных системах «точка-точка» или в системах, где плавность движения не влияет на обработку.

При синусоидальной коммутации двухпозиционное переключение не происходит. Скорее, посредством электронного переключения фазовый сдвиг тока трех фаз на 360 градусов модулируется по синусоидальной схеме. Это приводит к плавному, постоянному усилию со стороны двигателя. Таким образом, синусоидальная коммутация хорошо подходит для создания прецизионных контуров и для приложений, требующих точной постоянной скорости, таких как сканирование и машинное зрение.

Контроллеры
Существует больше классов контроллеров, чем мы можем здесь подробно обсудить. По сути, контроллеры можно разделить на несколько категорий в зависимости от языка программирования и логики управления.

Программируемые логические контроллеры (ПЛК) используют «лестничную» логическую схему. Они используются в основном для управления несколькими дискретными функциями ввода/вывода (I/O), хотя некоторые из них предлагают ограниченные возможности управления движением.

Системы числового программного управления (ЧПУ) программируются с использованием стандартного языка RS274D или его варианта. Они могут выполнять сложные движения, такие как сферические и винтовые формы, с многоосным управлением.

В системах, отличных от ЧПУ, используются различные собственные операционные системы, включая простые в использовании интерфейсные программы для базовых профилей движения. Большинство этих контроллеров состоят из базового модуля контроллера без монитора или клавиатуры. Контроллер связывается с хостом через порт RS-232. Хостом может быть персональный компьютер (ПК), аналоговый терминал или портативное устройство связи.

Почти все современные контроллеры являются цифровыми. Они обеспечивают уровень надежности и простоты использования, неслыханный для аналоговых контроллеров. Информация обратной связи по скорости обычно получается из сигнала положения оси. Все параметры сервопривода настраиваются с помощью программного обеспечения, а не кропотливой регулировки «горшков» усилителя привода, которые имеют тенденцию смещаться после использования и при изменении температуры. Большинство современных контроллеров также предлагают автонастройку параметров сервоприводов всех осей.

Более продвинутые контроллеры также включают в себя распределенную обработку и управление осями цифрового сигнального процессора (DSP). По сути, DSP — это процессор, специально разработанный для очень быстрого выполнения математических вычислений (по крайней мере в десять раз быстрее, чем микропроцессор). Это может обеспечить время выборки сервопривода порядка 125 мс. Преимуществом является точное управление осью для обеспечения постоянной скорости и плавного контурирования.

Алгоритм фильтра пропорционально-интегрально-производной (ПИД) и упреждающая связь по скорости и ускорению улучшают сервоуправление осью. Кроме того, программирование S-образной кривой профилей ускорения и замедления позволяет контролировать рывки, которые обычно сопровождают запуск и остановку движения стола. Это обеспечивает более плавную и контролируемую работу, что приводит к сокращению времени установления положения и скорости.

Контроллеры также обладают обширными возможностями цифрового или аналогового ввода/вывода. Пользовательскую программу или подпрограмму можно изменить в зависимости от положения, времени или информации о состоянии, значений переменных, математических операций, внешних или внутренних событий ввода-вывода или прерываний из-за ошибок. Пользовательский процесс можно легко автоматизировать.

Кроме того, большинство контроллеров могут повысить разрешение обратной связи по положению за счет электронного умножения. Хотя умножение в 4 раза является обычным явлением, некоторые продвинутые контроллеры могут умножать в 256 раз. Хотя это не обеспечивает улучшения точности, оно действительно увеличивает стабильность положения оси и, что более важно во многих случаях, повторяемость.

В вашем общем подходе, помимо факторов, упомянутых выше, вы должны учитывать другие факторы, которые могут изменить решения о компонентах, такие как бюджет, окружающая среда, ожидаемый срок службы, простота обслуживания, среднее время безотказной работы и предпочтения конечного пользователя. Модульный подход позволяет собирать систему из стандартных, легко доступных компонентов, которые будут отвечать даже самым строгим требованиям применения, если система будет проанализирована с самого начала на предмет общей совместимости компонентов.